岩质桥基岸坡稳定性评价及合理埋置位置研究

岩质桥基岸坡稳定性评价及合理埋置位置研究

峡谷内的大交叉口桥通常是连接山区交通的重要工程，也是决定线路可行性的重要工程。从工程地质技术而言,由于山区地形、地质条件复杂,决定了技术难点:1)是桥基合理位置的确定,这将直接关系到桥基岸坡的稳定和桥梁的安全;2)是岸坡稳定性评价困难,考虑到岩石岸坡变形破坏机制复杂,常用的基于弹性半空间的“承载力”稳定性检算方法已不适用。目前,国内外针对峡谷桥基岸坡稳定性分析的实用研究尚无成熟的技术,还处于发展阶段。西南交通大学近年来在该技术领域的研究中已取得一些进展,研究成果表明:由于桥基岩质岸坡是一复杂的体系,仅用一种方法不能全面反映岸坡的整体变形破坏机制,为此,提出了实用性系统分析方法,这对确保铁路安全运输、提高和发展铁路建设及科技水平具有重要的意义。1有限元模拟及强度分析峡谷岩质桥基岸坡稳定性系统分析方法的思路如图1所示,主要包括初步地质评价、经验公式法确定岸坡稳定坡角、岸坡应力场的有限元模拟及强度分析,进而综合评价岸坡稳定性,并确定桥基合理埋置位置。1.1桥址地质构造分析通过现场考察,测绘桥址处的地形地貌、地层岩性及岩体结构特征、地质构造、水文地质及不良地质现象,结合区域地质情况,运用工程地质方法对桥址所处山体及桥基岸坡的稳定性进行初步定性分析,提出设桥时需注意及待解决的问题。1.2统计方法及结果根据岩质岸坡的几何形态、岸坡岩体结构与地下水特征等要素,计算出天然状态下岸坡的稳定坡度,桥基必须设置在此坡度线以下(如图2所示)。即桥基埋置位置是与岸坡稳定坡角直接相关的。从既有设计合理的稳定边坡的统计分析中获得坡度与岸坡各参数之间的关系,拟合出经验公式,然后将待算边坡参数代入公式中,即可确定边坡的稳定坡角。通过对铁路上大量边坡的统计分析,并进行曲线拟合得到了岩体质量RQ与边坡稳定坡度之间的关系为:θ=rh[14.7ln(rwRlgD)+13](1)式中,rh为高度折减系数;rw为地下水折减系数;R为回弹值;D为岩体块度。公式(1)为具有普遍意义的公式,在工程实践中的应用效果较好,但该公式是建立在大量统计资料上的通用公式,并不专门针对峡谷区桥基岸坡,因此作者基于SMR用统计手段寻求一种适用于确定峡谷区桥基岸坡稳定坡角的经验公式。作者从成昆线上调查的21座峡谷区铁路桥选取10座大桥来分析,先用灰色关联度分析边坡参数对桥基岸坡稳定性的影响程度,从中选取边坡高、边坡角和边坡岩体质量评分——SMR为基本参数,用稳定坡角表示桥基位置,然后用统计分析得出经验公式为:θ=2.7473-154.461/h+0.91737×α+0.0443×SMR(2)式中,θ为边坡稳定坡角;h为边坡高度;α为自然坡角;SMR为边坡岩体质量评分。经显著性检验,该回归公式显著性很好,具有线性特征,回归方程有意义,即稳定坡角与以上3个变量高度线性相关。1.3桥基基础地位分析开发了峡谷岩质岸坡位移应力场二维有限元分析软件,以模拟天然及加载状态下岸坡位移应力特征,从而认清岸坡变形破坏机制。有限元数值模型依据工点现场调查条件来确定。通过对桥基基底的应力分布特征进行分析,可确定安全的桥基埋置位置。在同一埋深下,基础越趋向坡面,应力越向坡面集中,基础底部局部应力会增大,这样基础沿边坡剪出的可能性越大,反之,基础越向坡内,应力状态就越接近于半无限的情况,在基础向坡内移动的过程中,可找到一个合理位置即临界位置,在此位置及其以后位置,基础底部应力变化逐渐趋于稳定,该位置就是该埋深时工程设计所需的基础安全埋置下限。通过对不同埋深时应力松弛带的特征进行比较,并考虑其它如施工难易等因素,最终确定基础埋置的最佳位置。具体分析方法如下:将桥基设在不同埋深及不同水平位置(距岸坡边缘)下,计算出岸坡及桥基底部岩体的应力。取出同时考虑加载与自重时桥基底面各点最大主应力,消除天然岸坡(仅考虑自重)的最大主应力的影响,得出由桥基荷载引起的桥基底面各点的最大附加主应力,绘出不同位置下桥基底面的最大附加主应力变化曲线,根据曲线变缓趋势,对不同埋深进行比较,确定出桥基的合理位置。值得注意的是,这里得出的合理位置有待后文稳定分析时进行验证。1.4岸线强度的校核同天然状态相比,按已确定的桥基位置设置桥基后,岸坡岩体在桥基荷载作用下,基础附近区域应力状态有所改变,应力值增加可能导致岩体不满足强度要求,因此有必要对岸坡岩体强度进行校核。岸坡岩体的破坏一般是基底的剪切和壁顶的拉张,在强度分析中,所用强度准则即应与此相应。从大量的研究和工程实践的总结看,较为合理的岩体的强度准则主要是Mohr准则、Griffith准则和Hoek-Brown经验判据。2碳化桥址区岩石学特征将上述系统方法应用于宜昌—万州铁路的清江大桥宜昌岸。该桥位于湖北恩施龙凤镇,其桥墩设置在谷深近100m的深切峡谷的白云质灰岩岸坡上,桥址处属低山区,植被较发育,沟深坡陡,岸坡高达90～100m,自然坡度70°～80°,两岸岸坡坡顶地表溶蚀现象明显,溶沟溶槽遍布,形成岩溶峰丛地貌。清江大桥地区出露地层为寒武系上统(∈3)白云质灰岩,岩层表面风化颇重,呈青灰灰白色,微晶结构,中厚层构造,厚约0.5m左右,桥址区岩层受小褶皱构造影响,岩层产状变化较大。主要发育3组节理,其特征如表1所示。测区地震烈度为VI度,其工程影响较小。2.1坡顶规定在天然状态下未发生滑坡宜昌岸岸坡的岩层层理是反倾的,这有利于岸坡稳定。主节理(倾向与岸坡倾向最相近的节理)也是反倾的,但因其倾角较陡,使得岸坡顶岩体有崩塌的趋势,但经实地考证发现少有崩塌落石发生;岸坡顶发育有平行岸坡的卸荷裂隙,裂隙深度较小,没形成“岩柱”。故天然状态下,反倾主节理和卸荷裂隙对岸坡稳定基本无影响,但加载后,由于垂直荷载引起的侧向膨胀力是否会导致壁顶岩体的崩塌则有待进一步分析。桥墩位于背形褶曲的近核部,岩体完整性较好,仅仅在局部岩体较破碎,对岸坡稳定影响不大。由以上分析及野外实地考察认为,从工程地质角度看,现设桥位地质条件一般,天然状态下,岸坡基本稳定。2.2面倾向与边坡倾角间关系调整值据文献知:SMR=RMR-(F1×F2×F3)+F4(3)其中,SMR是BieniawskiZ.T.提出的岩体质量得分值;F1为边坡中不连续面倾向与边坡倾向间关系调整值;F2为不连续面与坡面倾角大小调整值;F3为不连续面与坡面倾角间关系调整值;F4是通过工程实践获得的边坡开挖方法调整参数。根据实测地质资料并参考文献的相关数据表,确定出RMR=74,F1=0.15,F2=1,F3=0,F4=15。则由式(3)可得:SMR=89。再将坡高h=92m,自然坡角α=65°代入公式(2)得:稳定坡角θ=64.6°。结合初步分析,取一定的安全保障,确定岸坡稳定坡角为62°。2.3岸壁岩体的迎力场模拟2.3.1桥基参数的确定根据现场实测资料,清江大桥宜昌岸边界约束条件为侧向水平约束,底部垂直约束,采用三角形单元。桥基参数:按照设计要求,取桥基长20m,宽11m,荷载为垂直向荷载95265kN,平均作用在桥基基础上,计算时换算为面力。材料参数:根据经验资料,取白云质灰岩弹性模量E=4×104MPa,泊松比μ=0.23,岩体质量γ=2.5×103kg/m3。2.3.2坡下天然坡应力集中现象天然状态下岸坡最大主应力σ1等值线如图3所示。从岸坡最大主应力等值线图可看出,清江宜昌岸岸坡在天然状态下,因岩体自重产生的最大主应力在坡底部形成应力集中区,在坡上部变坡处也有轻微的应力集中现象。由此说明:天然状态下,坡脚及变坡处是岩体易松动的区域。2.3.3桥基桩底埋深的影响分析对桥基分别设在10m、20m、30m埋深(H相对于线路标高),且距岸坡边缘不同距离(S)时岸坡应力状态进行模拟。对于不同S,有限元网格基本不变,仅对基础底部单元进行调整,以使基底单元分布均匀。S值分别取0.5m、5.5m、10.5m、15.5m、20.5m、25.5m、30.5m、35.5m、40.5m、45.5m。从模拟结果中取出桥基底部各单元应力,绘出桥基底部最大主应力变化图,并消除天然应力影响后桥基中点最大主应力随桥基位置的变化曲线,以分析岸坡对桥基底部应力的影响。文中以10m埋深为例,其它埋深下的分析类似。10m埋深不同S(以S=15.5m为例)下,最大主应力σ1等值线如图4所示,基底深度处水平剖面图如图5(图中Sh表示距岸坡边缘距离大小,无量纲)所示。从不同桥基位置下岸坡应力等值线图中可以看出,在桥基荷载作用下,岸坡应力状态主要在桥基附近有所改变,表明桥基荷载作用仅影响桥基附近小区域范围,桥基下方均出现应力集中现象,但随着桥基向坡内深入,桥基荷载对岸坡边缘应力状态的影响越来越小。图6是消除天然应力影响后桥基中点在不同桥基水平距离下最大主应力的曲线。从图中可以看出,当水平距离大于15m后,桥基中点最大主应力趋于稳定值。此外由虚线代表的意义可以看出,此处稳定坡角位置约12m,桥基应设在稳定坡角以内。综上分析,桥基埋深10m时,桥基应设在距岸坡边缘至少15.5m以上的位置,取16m。用同样方法可得出:桥基埋深20m时,桥基应设在距岸坡15m以上的位置;桥基埋深30m时,桥基应设在距岸坡15m以上的位置。比较以上3点结论,3种情况下(参考图7)桥基设置位置相近,但按埋深10m设置时,更易施工,也更经济。因此建议清江大桥宜昌岸桥基埋深10m,桥基距岸坡边缘16m。2.4强度分析2.4.1强度理论的选择Mohr准则虽建立于岩石,考虑到岸坡节理间距较大,岩体整体性较好,故应用于此是合理的。2.4.2提取敏感参数岩体内摩擦角φ:白云质灰岩的内摩擦角φ约为35°～50°,考虑到岩体性质低于岩石,且在强度计算中φ值不如c值敏感,故取φ=35°。岩体内聚力c:因缺乏实测数据,c值选取方法如下:查得白云质灰岩的c值为3.5～40MPa,低限为3.5MPa,考虑c值的物理意义为岩体内部联结的完整性,故按其1/10取值,再保留一定的安全储备,确定万州岸c=0.3MPa,宜昌岸岩体相对稍差取c=0.28MPa。2.4.3在自然状态下，岸壁岩体的强度分析天然状态下,万州岸和宜昌岸岸坡岩体各点都满足强度要求,故在天然状态下,清江大桥岸坡岩体是稳定的。2.4.4剪切破坏区强度宜昌岸取建议埋深10m,S取0.5m、10.5m、16m。由强度分析知,随着S的增大,岸坡边缘的剪切破坏区越来越小。在建议桥位下(埋深10m,距岸坡边缘16m),没有岩体处于塑性区,岩体满足强度要求。2.5稳定坡角的确定据野外调查及初步分析,清江大桥现设桥位地质条件一般,天然状态下,宜昌岸岸坡基本稳定。由经验公式计算,确定清江大桥宜昌岸岸坡的稳定坡角为62°。由应力及强度分析,确定清江大桥宜昌端桥基设置位置为自初测路肩标高下埋深10m,距岸坡边缘16m,在此桥位下,岸坡岩体满足强度要求